高红移星系与宇宙演化

观测高红移星系使天文学家能够回溯时间，观察星系的形成过程，描绘恒星形成和星系性质在宇宙历史中的变化。

Definition

高红移星系是指在巨大宇宙距离处观测到的星系，它们的光是在宇宙年轻时发出的；研究它们可以追溯宇宙的演化，即星系群体的变化和宇宙历史中全球恒星形成率的变化。

Scope

本主题涵盖了用于寻找遥远星系的技术，例如莱曼断裂法（Lyman-break method），宇宙恒星形成率密度的兴衰，星系大小、质量和形态随红移的演化，早期星系在宇宙再电离中的作用，以及深场和红外巡天观测的影响。

Core questions

• 如何探测和确认遥远早期宇宙中的星系？
• 宇宙恒星形成率密度随时间如何演化？
• 星系的大小、质量和形状如何随红移变化？
• 早期星系在宇宙再电离中扮演了什么角色？

Key theories

莱曼断裂技术

通过恒星形成星系光谱中莱曼极限（Lyman limit）蓝端急剧下降的特征来识别它们，从而可以通过红移进行光度学选择，获得大量样本。

宇宙恒星形成历史

体积平均恒星形成率从早期开始上升，在大约一百亿年前达到峰值，此后一直下降，这界定了星系生长的时间线。

早期星系与再电离

第一代星系被认为产生了使星系际氢再电离的紫外光子，将星系形成与一个重要的宇宙转变联系起来。

Clinical relevance

高红移观测是星系和宇宙如何演化的最直接记录，提供了星系形成理论必须匹配的经验时间线，并推动了深场和红外空间望远远镜的设计。

History

20世纪90年代的深场成像巡天，包括哈勃深场（Hubble Deep Field）和施泰德尔（Steidel）的莱曼断裂选择法，开启了对高红移宇宙的系统研究。由此产生的宇宙恒星形成历史的马道图（Madau diagram），经多波长和红外巡天完善后，成为星系演化研究的里程碑。

Key figures

• Charles Steidel
• Piero Madau
• Mark Dickinson

Seminal works

• steidel1996
• madau2014
• dayal2018

Frequently asked questions

为什么观测遥远星系意味着回溯时间？

光以有限的速度传播，因此来自非常遥远星系的光是在数十亿年前发出的。因此，看到高红移星系展现的是它们在早期宇宙中的样子，而不是它们今天的样子。

什么是红移？

红移是光在穿过膨胀的宇宙时被拉伸到更长波长的现象。更高的红移意味着光发射得更早，传播得更远，因此红移可以作为宇宙距离和回溯时间的度量。